"PROCEDE ET DISPOSITIF DE PRODUCTION DE GAZ REDUCTEUR DESTINE, EN PARTICULIER, A LA REDUCTION DE MINERAI" La présente invention se rapporte à un procédé de production d'un gaz réducteur et à un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Le gaz réducteur produit étant, notamment, destiné à la réduction de minerai.
De tels procédés de production de gaz réducteur destiné à la réduction de minerai sont largement utilisés et comprennent généralement une unité de reformage catalytique, composée d'un ensemble de tubes métalliques garnis de catalyseurs et réalisant la réaction de reformage du gaz naturel avec des gaz oxydants (air, vapeur, gaz issus de la réduction comprenant du CO2et H2O).
Certains de ces procédés comportent un traitement des gaz de reformage pour éliminer du gaz le CO2et l'H2O, et un chauffage des gaz traités pour obtenir une température suffisante avant injection dans la cuve de réduction du minerai.
Le reformage en tubes, garnis de catalyseurs, commun à tous ces procédés est bien connu mais présente l'inconvénient de limiter la température des gaz produits, pour éviter une surchauffe des tubes chauffés extérieurement, les parois de ces tubes ne pouvant pas dépasser une température de 900 à 950[deg.]C. Ceci limite la température du gaz réducteur à maximum 900[deg.]C.
D'autre part, le reformage en tubes garnis de catalyseurs nécessite un excès de gaz oxydant (H2O - CO2) pour éviter la formation de suies dans le catalyseur et la destruction progressive de celui-ci; cet excès d'oxydant doit être d'au moins 10 à 15 % par rapport au rapport stoechiométrique C - O. Cet excès d'oxydant induit une production d'une quantité de gaz CO2et H2O affectant l'efficacité réductrice du gaz réducteur dans la cuve de réduction. Certains procédés procèdent au lavage de ces gaz CO2et H2O ce qui nécessite de traiter les gaz et de les chauffer ensuite à une température limitée.
L'efficacité de réduction du minerai est généralement insuffisante avec CO2+ H2O > à 7 - 8 % (% par rapport au volume total de gaz) et le coût des installations d'extraction du CO2et H2O du gaz réducteur et le chauffage à 900 [deg.]C sont assez élevés.
L'invention a pour but de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus en procurant une invention permettant d'atteindre des températures nettement plus élevées de gaz réducteur.
Pour résoudre ce problème, il est prévu suivant l'invention un procédé tel qu'indiqué au début comprenant:
une étape de chauffe d'un réacteur chargé de matières thermiques et d'au moins une masse catalytique appropriée pour un reformage de gaz à reformer, par traversée de ce réacteur par un gaz de chauffe, et une étape de reformage comprenant :
une alimentation du réacteur chauffé en ledit gaz à reformer et en un gaz oxydant, et
un passage dudit gaz à reformer et dudit gaz oxydant à travers lesdites matières thermiques chauffées et ladite au moins une masse catalytique chauffée avec chauffage de ces gaz par contact direct avec lesdites matières thermiques et reformage dudit gaz à reformer en ledit gaz réducteur par contact direct avec ladite au moins une masse catalytique, ainsi qu'éventuellement un chauffage additionnel du gaz réducteur obtenu par reformage par contact direct avec lesdites matières thermiques chauffées.
Dès lors, grâce à ces caractéristiques,
le procédé permet avantageusement que l'énergie apportée à la réaction de reformage se fasse directement par apport de chaleur au catalyseur et à la matière thermique sans transfert de chaleur à travers des tubes métalliques (on évite une perte de 50 à 100 [deg.]C). De plus, la quantité de gaz oxydant nécessaire à la réaction de reformage est réduite au strict minimum, soit 1 à 3 % (% par rapport au volume total de gaz), car les traces de suies déposées pendant la phase de reformage (3 à 4 %) (% par rapport au volume total de gaz) sont éliminées immédiatement pendant la phase de chauffage au contact direct avec les gaz de combustion, ce qui permet de limiter à 2 à 3 % %) (% par rapport au volume total de gaz) la quantité de gaz non réducteur CO2+ H2O dans le gaz réducteur obtenu par le reformage.
Le catalyseur utilisé est n'importe quel catalyseur approprié pour une opération de reformage de gaz. De préférence ce catalyseur permet une résorption des traces de carbone déposées et la réduction des oxydes formés dans le catalyseur à l'aide d'une purge au gaz réducteur. Il est en outre capable de résister à des températures élevées et de subir de fréquentes variations thermiques. De préférence il offre la possibilité de fonctionner suivant un rapport O/C (oxygène/carbone) très proche de l'unité. Il participe également à l'accumulation de chaleur à chaque étape de chauffe, énergie qu'il cède pendant la phase de reformage endothermique.
On peut utiliser par exemple un catalyseur sur support à base par exemple d'alumine à 95 % et de silice à 2 %; il peut présenter une surface spécifique de 200 m<2>/g, l'élément actif étant de préférence du Nickel dont la teneur varie de 4 à 5 % en poids par rapport à la masse de catalyseur sur support. Le catalyseur peut représenter sous forme sphérique une approchante 7, d'un diamètre par exemple de 10-15 mm. Il peut aussi avoir une forme de plaquettes rectangulaires d'une épaisseur par exemple de 15 à 20 mm, de plaquettes rainurées par des canaux, et analogues.
Grâce au chauffage par contact direct, la température du gaz réducteur suivant le procédé selon l'invention peut être réglée sans limitation à la valeur optimale de 900 à 1300 [deg.]C grâce à l'absence de parois métalliques d'échange thermique.
Il est dès lors possible suivant l'invention de produire, soit de l'éponge de fer à plus de 98 % de métallisation, à l'état solide vers 1000 [deg.]C ou 1100 [deg.]C (sans agglomération du minerai) ou encore d'obtenir la fusion de l'éponge de fer par une opération à double injection de gaz réducteur en 2 zones (1000 et 1300 [deg.]C) et d'oxygène et ainsi d'obtenir de l'acier liquide et du laitier par voie séparée.
Le procédé de production de gaz réducteur suivant l'invention peut ne pas comporter de système d'extraction de CO2ou de H2O ou de chauffage complémentaire du gaz réducteur, ce qui entraîne un coût d'investissement et d'exploitation minimaux.
La consommation spécifique en gaz naturel est diminuée de 5 à 20 % par rapport aux procédés concurrents et donc une diminution équivalente en gaz à effet de serre (CO2).
De plus,
grâce aux possibilités offertes par le procédé suivant l'invention de produire un gaz à plus haute température, on peut envisager, suivant la nature du minerai, de fabriquer directement de l'acier liquide moyennant un apport d'oxygène.
Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse, pendant une première période de temps, le procédé comprend la réalisation, dans un premier réacteur, de ladite étape de chauffe et simultanément dans un deuxième réacteur, la réalisation de ladite étape de reformage et, inversement, dans une deuxième période de temps,
les étapes réalisées par le deuxième réacteur pendant la première période de temps sont effectuées par le premier réacteur et l'étape réalisée dans le premier réacteur pendant cette même première période de temps est effectuée par le premier réacteur.
La réalisation des deux étapes simultanément dans un premier et dans un deuxième réacteur fonctionnant alternativement permet d'améliorer le rendement, d'éviter les temps morts qui sont réellement les failles des procédés de production en général. Le procédé a l'avantage de diminuer considérablement les émissions de gaz à effet de serre (1/3 des systèmes classiques Haut fourneau - cokerie), et de gaz toxiques et d'améliorer la consommation énergétique.
D'autres formes de réalisation du procédé suivant l'invention sont indiquées dans les revendications annexées.
L'invention se rapporte aussi à un dispositif comprenant au moins un réacteur comportant :
des matières thermiques et une masse catalytique appropriée pour un reformage de gaz à reformer,
d'un premier côté des matières thermiques et de la masse catalytique, une entrée de gaz de chauffe et, d'un deuxième côté de celles-ci, opposé au premier, une sortie de gaz de chauffe,
une entrée de gaz à reformer et une entrée de gaz oxydant au deuxième côté susdit, et
une sortie de gaz réducteur au premier côté susdit.
Tenant compte de la possibilité du procédé suivant l'invention de produire le gaz réducteur à une température pouvant atteindre 1300 [deg.]C,
le dispositif selon l'invention peut avantageusement comprendre une cuve de réduction de minerai qui sera avantageusement adaptée suivant l'invention pour permettre la production d'épongé de fer ou même de métal liquide moyennant l'injection d'une quantité réduite d'oxygène et la présence d'une cuve de séparation acier - laitier.
D'autres formes de réalisation du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention sont indiquées dans les revendications annexées.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif et en faisant référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue schématisée d'un dispositif selon l'invention de production de gaz réducteur relié à une cuve de réduction de minerai.
La figure 2 est une vue schématisée d'une forme de réalisation avantageuse de la cuve de minerai.
La figure 3 est une vue schématisée d'une variante de dispositif de production de gaz réducteur suivant l'invention.
Brièvement, la production de gaz réducteur est réalisée par reformage catalytique d'hydrocarbures, de gaz naturel ou autres au moyen de gaz résiduel issu de la cuve de réduction du minerai et composé généralement de CO2, H2O et de CO et H2.
Comme on peut le voir à la figure 1 , l'unité de production de gaz réducteur comprend 2 réacteurs 1 ,1' refractorisés et garnis de matières thermiques 4,4',6,6',8,8' et de masses catalytiques 7,7' appropriées, fonctionnant alternativement suivant un cycle court,
en 2 phases : dans le premier réacteur 1 , il se produit une première phase de reformage et de production de gaz réducteur à haute température de 900 à 1300 [deg.]C, afin de l'envoyer dans une cuve de réduction 23 et, dans le second réacteur 1 ', il se produit une seconde phase de chauffe dont les gaz de combustion sont évacués et refroidis à l'atmosphère. Le dispositif est à fonctionnement continu. Le gaz réducteur produit est envoyé à haute température dans une cuve de réduction 23 à contre-courant du minerai brut et des charges calcaires. Le minerai y est réduit normalement sous forme d'épongé de fer réduit à plus de 97 %.
Ce matériau peut ensuite être traité , directement à environ 1000 [deg.]C dans un four électrique 30, tel que les fours de fusion de mitraille, ou être compacté et envoyé comme charge en haut fourneau, pour réduire sensiblement la consommation de coke.
Le procédé suivant l'invention est avantageusement basé sur un système utilisant 2 réacteurs 1 et l' composés de cylindres verticaux (figure 1 ), connectés ensemble aux 3/4 de la hauteur par une canalisation 2,2' vers un collecteur 32 relié à un réservoir 20.
Ces réacteurs 1 ,1' refractorisés comportent chacun successivement à partir d'un premier côté vers un second côté:
- un brûleur 3 ou 3' - des matières thermiques céramiques 4,4' situées sous les chambres de combustion 5 et 5' dans le cas de cylindres verticaux, et placées au-dessus des canalisations 2 et 2' d'évacuation du gaz réducteur dont la température atteint de 900 à 1300 [deg.]C au choix, ces matières thermiques étant formées d'éléments de garnissage capables de capter la chaleur d'un gaz chaud et de rétrocéder celle-ci à un gaz froid, par exemple des billes, plaques ou autres corpuscules en matières réfractaires ou céramiques, dont la taille et la nature dépendent de la température choisie pour le gaz réducteur,
- des matières thermiques 6,6' situées en dessous des canalisations 2 et 2',
- des masses catalytiques 7,
7' favorisant la réaction de reformage entre le gaz naturel ou autre hydrocarbure et du gaz oxydant tout en assurant également la charge thermique due à la réaction endothermique. Il est bien entendu que la température choisie mentionnée ci-dessus dépendra et sera fonction des propriétés du catalyseur 7,7' (résistance à la température, et surtout aux variations fréquentes de température etc.),
- des matières thermiques 8 et 8' assurant le préchauffage des réactifs jusqu'à 500-550[deg.]C, éventuellement 600[deg.]C, - des canalisations 9,9' comprenant des vannes d'entrée
90,90' de gaz naturel ou d'hydrocarbures, des canalisations 10,10' de gaz oxydant comprenant des vannes d'entrée 100,100'.
Ce gaz sort en 41 de la cuve de réduction 23, et subit un refroidissement dans un échangeur 14. - des canalisations 1 1 ,11 ' d'évacuation des gaz de chauffe brûlés, refroidis, 11 et 11' comprenant des vannes d'évacuation 110,110' vers une machine d'expansion 12 (turbine d'expansion) permettant la récupération d'énergie de ces gaz.
- Des canalisations 13,13' comprenant des vannes 130,130' alimentant les brûleurs 3 et 3' en air de combustion réchauffé dans l'échangeur 14 et provenant du compresseur 15, éventuellement alimenté en l'énergie récupérée de la turbine 12.
- des canalisations 16,16' comprenant des vannes 160, 160' assurant l'alimentation des brûleurs en gaz résiduel à brûler, ce gaz étant issu de la cuve de réduction 23, préalablement refroidi dans l'échangeur 14 et passé dans le laveur-filtre 15,
puis surpressé par le compresseur 17.
Le procédé suivant l'invention fonctionne avantageusement de manière cyclique :
Le réacteur 1 reçoit à sa base les réactifs, c'est-à-dire du gaz naturel ou des hydrocarbures à reformer par la canalisation 18 et le gaz oxydant par la canalisation 10, lequel est issu de la cuve de réduction 23 après refroidissement. Les gaz s'échauffent progressivement jusqu'à environ 580-600[deg.]C dans la matière thermique 8, puis passent dans la masse catalytique 7 où ils subissent la réaction de reformage. Une poursuite du chauffage du gaz réducteur formé a lieu dans la matière thermique 6 jusqu'à la température prévue entre 900 et 1300[deg.]C. Ce gaz réducteur quitte le réacteur 1 via la tubulure 2 et de là est dirigé vers la cuve de réduction du minerai 23 via le tube 19 et des tuyères d'injection.
Cette étape de reformage a une durée de 2 à 4 minutes.
Pendant cette opération, le réacteur l' est en phase de chauffe par allumage du brûleur 3' alimenté en air de combustion surchauffé via le tube 13' et la vanne 130 et en gaz de chauffe via la canalisation 16' et la vanne 160'. Le gaz de chauffe est lui aussi issu de la cuve de réduction et est formé, comme le gaz oxydant du réacteur 1 , du gaz résiduel qui s'échappe de cette cuve. Le gaz de chauffe brûlé traverse la chambre de combustion 5', les matières thermiques 4' et 6' ainsi que la masse catalytique T. Pendant la traversée, la combustion des traces de carbone déposées pendant la phase de reformage est effectuée. Ces gaz traversent la matière thermique 8' et quittent le réacteur V par le bas via la canalisation 11 ' et la vanne 110' à une température abaissée jusqu'à 200 [deg.]C.
Ces gaz sont évacués après passage dans la turbine d'expansion 12 en récupérant ainsi l'énergie nécessaire à la compression de l'air de combustion dans le compresseur 40. On procède ensuite à une inversion des circuits entre les réacteurs 1 et 1 ' grâce aux vannes à inversion 130,130',160,160',90,90',100,100',110 et 110', vannes fonctionnant à température modérée et contrôlées par un dispositif automatique, connu en soi. Au moment de l'inversion des circuits, il est procédé, à la purge du réacteur à la fin de sa période de chauffe, (à ce moment, il contient des gaz brûlés). Cette purge est réalisée au moyen d'une injection de gaz réducteur par les canalisations 31 ou 31' via les vannes 310,310', Ce gaz est issu d'un réservoir 20.
Le réservoir 20 reçoit une partie du gaz réducteur par la canalisation 19, lors de l'évacuation des gaz issus du reformage chaud par les canalisations 2 et 2'. Le gaz réducteur est, par la soufflante 21 , surpressé avant stockage dans le réservoir 20.
Cette phase de purge est limitée à 3 à 5 secondes, ce qui a pour résultat de ne pas provoquer de perte puisque le gaz réducteur injecté par la canalisation 31 , 31' reste donc, après traversée du catalyseur 7,7' , dans celui-ci et repart lors du cycle suivant dans le réservoir de stockage 20.
Le gaz réducteur contenant de 95 à 97 %) (% par rapport au volume total de gaz) de CO + H2est injecté à la base de la cuve de réduction 23 par la canalisation 19. Dans cette cuve, le minerai est introduit via le sas (entrée d'alimentation en minerai brut) 22.
Il s'échauffe progressivement et l'oxyde se convertit progressivement en FeO puis en fer pur. Celui-ci reste généralement en phase solide sous forme d'épongé de fer comme dans les autres procédés antérieurs, à 900 - 1000 [deg.]C, en mélange avec les déchets de minerai et des produits de la réaction avec le calcaire ajouté.
De là, l'éponge de fer est évacuée vers un four électrique 30 via le dispositif de contrôle où elle est compactée et livrée à d'autres usages tels que l'alimentation de haut fourneau.
Une variante de la cuve de réduction 23 est illustrée à la figure 2. Cette variante nécessite la production de gaz réducteur à plus haute température, comme le permet le procédé selon l'invention.
Dans ce cas la cuve de réduction 23 comporte plusieurs niveaux d'injection de gaz réducteur, et elle est complétée par une cuve 23' à phase liquide.
Elle comprend en outre un premier niveau de tuyères 19 amenant le gaz réducteur refroidi à 1000 - 1100 [deg.]C pour éviter l'agglomération du minerai dans la cuve 23. Ce refroidissement a lieu dans un échangeur de chaleur 24 qui peut servir par exemple à réchauffer le gaz résiduel sortant de la cuve 23 via la canalisation 41. A ce niveau inférieur de la cuve 23, la matière est de l'éponge de fer à l'état solide et non aggloméré. L'éponge de fer est introduite dans la cuve 23' par un orifice de passage 29. La cuve 23' comporte en outre un second niveau de tuyères 25 qui injecte une partie du gaz réducteur chaud non refroidi (1300 [deg.]C) et des tuyères 26 pour l'injection d'oxygène, ce qui assure une élévation de température importante au-delà de 1500 [deg.]C ayant pour résultat la liquéfaction de l'éponge de fer.
Le bas de cuve est pourvu d'orifices de sortie pour le laitier et l'acier liquide. Les gaz chauds issus de la cuve 23' sont réinjectés dans la cuve 23 au moyen de tuyères 34. Cette version assure la production directe d'acier sans faire appel à des opérations complémentaires. Le dispositif illustré à la figure 3 représente deux réacteurs 1 , 1 ' agencés bout à bout dans une enceinte unique 35. Les deux réacteurs comportent une sortie de gaz réducteur commune 2 et une chambre de combustion commune 5,5' divisée en deux par une paroi centrale munie d'orifices 36.
Les deux réacteurs fonctionnent comme le dispositif illustré à la figure 1 , à ceci près que, lorsque l'on évacue les gaz de chauffe brûlés par la canalisation 11 ,11 ' via la vanne 110,110', on impose un débit légèrement supérieur au débit de gaz à l'entrée de sorte que l'on crée une dépression et le sens du flux de gaz est contrôlé et forcé à partir de la chambre de combustion 5,5' vers la sortie 9,9', 10, 10', 11 ,11 '.
Grâce à cette différence de débit contrôlée, le gaz de chauffe brûlé de la première partie (zone) de l'enceinte ne traverse pas les orifices de la paroi 36 pour se mélanger avec l'autre partie de l'enceinte (zone).
Le tableau suivant donne les caractéristiques des gaz obtenus en différents points du procédé suivant l'invention en mode de production d'épongé de fer comme illustré à la figure 1.
Pour 1 mole de gaz naturel considéré comme CH4
Matière Gaz Gaz Gaz Gaz première réducteur résiduel résiduel % résiduel
(gaz à issu de la recyclé (par combust.
reformer) cuve rapport au (par volume rapport au total de volume gaz) total de gaz)
Nombre de moles 1 5,6 5,6
Analyse CH4100 0,45 0,45
% valeur
(par rapport au volume total de gaz)
H20 0 1 ,59 32,85 58 % 42 %
CO 0 38,29 20,74
C020 0,56 18,14
H20 59,08 27,82
C02HzO / 2,1 50,39
97,35 48,57
CO+H2
Température 30[deg.]C 1000[deg.]C 750 [deg.]C
Pression bars 3-4 2 1 ,3
<EMI ID=12.1>
Résultats:
Production de fer pur = 50 g/mole de CH4 soit 1 ,669/tonne métrique de Fe pur émission = 0,7 tonne CO2/ Tonne fer (1/3 à des systèmes classiques d'aciérie (Haut fourneau + cokerie).
II est bien entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.
Liste des éléments 1 ,1 ' réacteur
2,2' canalisation sortie de gaz réducteur 3,3' brûleur 4,4' matière thermique
5,5' chambre de combustion 6,6' matière thermique 7,7' masse catalytique 8,8' matière thermique 9,9' canalisation injection de gaz naturel
10,10' canalisation entrée de gaz oxydant 11 ,11 ' canalisation de gaz brûlés
12 turbine d'expansion
13 canalisation d'air de combustion 14 échangeur de chaleur
15 compresseur
16 canalisation de gaz à reformer
17 refroidisseur
18 canalisation de gaz naturel ou autre hydrocarbure 19 canalisation de gaz réducteur
20 réservoir
21 soufflante
22 sas
23 cuve de réduction 24 échangeur de chaleur
25 tuyère d'injection de gaz réducteur chaud
26 tuyère d'injection d'oxygène
29 orifice
30 four électrique 31 ,31' canalisation de gaz réducteur (du réservoir 20 à l'entrée du réacteur 1 ,1 ')
32 collecteur
34 tuyère
35 enceinte
36 paroi 40 compresseur
41 canalisation
90,90' vanne de la canalisation 9,9' respectivement 100,100' vanne de la canalisation 10,10' respectivement 110,110' vanne de la canalisation 11 ,11 ' respectivement 130,130' vanne de la canalisation 13,13' respectivement
160,160' vanne de la canalisation 16,16' respectivement 310,310' vanne de la canalisation 31 ,31 ' respectivement
Field of the Invention The present invention relates to a process for producing a reducing gas and to a device for carrying out the process. BACKGROUND OF THE INVENTION The reducing gas produced being, in particular, intended for the reduction of ore.
Such processes for producing reducing gas for ore reduction are widely used and generally comprise a catalytic reforming unit, consisting of a set of metal tubes filled with catalysts and carrying out the reforming reaction of natural gas with oxidizing gases. (air, steam, reduction gases including CO2 and H2O).
Some of these processes include treating the reforming gases to remove CO2 and H2O from the gas, and heating the treated gases to obtain a sufficient temperature before injection into the ore reduction vessel.
The reforming tubes, filled with catalysts, common to all these processes is well known but has the disadvantage of limiting the temperature of the gases produced, to prevent overheating of the tubes heated externally, the walls of these tubes can not exceed a temperature from 900 to 950 [deg.] C. This limits the temperature of the reducing gas to a maximum of 900 [deg.] C.
On the other hand, the reforming of tubes filled with catalysts requires an excess of oxidizing gas (H2O-CO2) to prevent the formation of soot in the catalyst and the progressive destruction thereof; this excess of oxidant must be at least 10 to 15% relative to the stoichiometric ratio C - O. This excess of oxidant induces a production of a quantity of CO2 and H2O gas affecting the reducing efficiency of the reducing gas in the reduction tank. Some processes proceed with the washing of these gases CO2 and H2O which requires treating the gases and then heating them to a limited temperature.
The ore reduction efficiency is generally insufficient with CO2 + H2O> at 7 - 8% (% relative to the total gas volume) and the cost of the CO2 and H2O extraction plants of the reducing gas and the heating at 900 [deg .] C are quite high.
The invention aims to overcome the disadvantages mentioned above by providing an invention to achieve significantly higher temperatures of reducing gas.
To solve this problem, it is provided according to the invention a method as indicated at the beginning comprising:
a step of heating a reactor charged with thermal materials and at least one catalytic mass suitable for reforming the gas to be reformed, by passing through this reactor by a heating gas, and a reforming stage comprising:
a reactor feed heated to said reforming gas and an oxidizing gas, and
a passage of said gas to be reformed and said oxidizing gas through said heated thermal materials and said at least one heated catalytic mass with heating of said gases by direct contact with said thermal materials and reforming said gas to be reformed into said reducing gas by direct contact with said at least one catalytic mass, as well as possibly additional heating of the reducing gas obtained by reforming by direct contact with said heated thermal materials.
Therefore, thanks to these characteristics,
the process advantageously allows the energy supplied to the reforming reaction to be done directly by supplying heat to the catalyst and to the thermal material without heat transfer through metal tubes (a loss of 50 to 100 [deg.]) is avoided. VS). In addition, the amount of oxidizing gas required for the reforming reaction is reduced to a strict minimum, ie 1 to 3% (% relative to the total volume of gas), because the traces of soot deposited during the reforming phase (3 to 4%) (% of total gas volume) are removed immediately during the heating phase in direct contact with the flue gas, thus limiting to 2 to 3% (%) of the total volume of gas. gas) the amount of CO2 + H2O non-reducing gas in the reducing gas obtained by the reforming.
The catalyst used is any suitable catalyst for a gas reforming operation. Preferably, this catalyst allows resorption of deposited carbon traces and reduction of the oxides formed in the catalyst by means of a reducing gas purge. It is also capable of withstanding high temperatures and frequent thermal variations. Preferably it offers the possibility of operating in a ratio O / C (oxygen / carbon) very close to the unit. It also participates in the accumulation of heat at each heating stage, energy that it yields during the endothermic reforming phase.
For example, it is possible to use a supported catalyst based for example on 95% alumina and 2% silica; it may have a specific surface area of 200 m 2 / g, the active element preferably being nickel, the content of which varies from 4 to 5% by weight relative to the mass of supported catalyst. The catalyst may represent in spherical form an approximation 7, of a diameter for example of 10-15 mm. It may also be in the form of rectangular wafers with a thickness of, for example, 15 to 20 mm, grooved wafers by channels, and the like.
Thanks to the direct contact heating, the temperature of the reducing gas according to the process according to the invention can be set without limitation to the optimum value of 900 to 1300 ° C. thanks to the absence of metal heat exchange walls.
It is therefore possible according to the invention to produce either iron sponge with more than 98% metallization, in the solid state around 1000 [deg.] C or 1100 [deg.] C (without agglomeration of the ore) or to obtain the fusion of the iron sponge by a double injection operation of reducing gas in 2 zones (1000 and 1300 [deg.] C) and oxygen and thus to obtain steel liquid and slag separately.
The reduction gas production process according to the invention may not comprise a CO2 or H 2 O extraction system or additional heating of the reducing gas, which entails a minimum investment and operating cost.
The specific consumption of natural gas is reduced by 5 to 20% compared to competing processes and therefore an equivalent reduction in greenhouse gas (CO2).
Moreover,
thanks to the possibilities offered by the process according to the invention to produce a gas at a higher temperature, it can be envisaged, depending on the nature of the ore, to directly manufacture liquid steel with an oxygen supply.
In a particularly advantageous embodiment, during a first period of time, the method comprises producing, in a first reactor, said heating step and simultaneously in a second reactor, carrying out said reforming step and, conversely, in a second period of time,
the steps carried out by the second reactor during the first period of time are carried out by the first reactor and the step carried out in the first reactor during this same first period of time is carried out by the first reactor.
Performing the two steps simultaneously in a first and a second reactor operating alternately allows to improve the yield, to avoid dead time which are actually the faults of the production processes in general. The process has the advantage of significantly reducing greenhouse gas emissions (1/3 of conventional blast furnace - coking plants) and toxic gases and improving energy consumption.
Other embodiments of the process according to the invention are indicated in the appended claims.
The invention also relates to a device comprising at least one reactor comprising:
thermal materials and a catalytic mass suitable for reforming gas to be reformed,
on the one side of the thermal materials and the catalytic mass, a heating gas inlet and, on a second side thereof, opposite the first, a heating gas outlet,
a gas inlet to be reformed and an oxidizing gas inlet to said second side, and
a reducing gas outlet to the aforesaid first side.
Taking into account the possibility of the process according to the invention to produce the reducing gas at a temperature up to 1300 [deg.] C,
the device according to the invention may advantageously comprise an ore reduction vessel which will advantageously be adapted according to the invention to allow the production of iron sponge or even liquid metal by injecting a reduced amount of oxygen and the presence of a steel-slag separation tank.
Other embodiments of the device for carrying out the method according to the invention are indicated in the appended claims.
Other features, details and advantages of the invention will become apparent from the description given below, without limitation and with reference to the accompanying drawings.
Figure 1 is a schematic view of a device according to the invention for producing reducing gas connected to an ore reduction tank.
Figure 2 is a schematic view of an advantageous embodiment of the ore tank.
Figure 3 is a schematic view of an alternative device for producing reducing gas according to the invention.
Briefly, the production of reducing gas is achieved by catalytic reforming of hydrocarbons, natural gas or other by means of residual gas from the ore reduction vessel and generally composed of CO2, H2O and CO and H2.
As can be seen in FIG. 1, the reducing gas production unit comprises 2 reactors 1, 1 'refractilized and lined with thermal materials 4,4', 6,6 ', 8,8' and catalytic masses 7 7 ', operating alternately in a short cycle,
in two phases: in the first reactor 1, a first phase of reforming and production of reducing gas at high temperature of 900 to 1300 [deg.] C is produced, in order to send it to a reduction vessel 23 and, in the second reactor 1 ', a second heating phase is produced, the combustion gases of which are discharged and cooled in the atmosphere. The device is in continuous operation. The reducing gas produced is sent at high temperature into a reduction tank 23 against the current of the raw ore and calcareous charges. The ore is normally reduced in the form of an iron sponge reduced to more than 97%.
This material can then be treated directly at about 1000 ° C in an electric furnace 30, such as scrap melting furnaces, or compacted and fed as blast furnace filler, to substantially reduce coke consumption.
The process according to the invention is advantageously based on a system using 2 reactors 1 and the compound of vertical cylinders (FIG. 1), connected together at 3/4 of the height by a pipe 2.2 'to a collector 32 connected to a tank 20.
These reactors 1, 1 'refracted each comprise successively from a first side to a second side:
a burner 3 or 3 '- ceramic thermal materials 4,4' located under the combustion chambers 5 and 5 'in the case of vertical cylinders, and placed above the pipes 2 and 2' for evacuation of the reducing gas whose temperature reaches from 900 to 1300 [deg.] C to choose, these thermal materials being formed of packing elements capable of sensing the heat of a hot gas and of retroceding it to a cold gas, for example balls, plates or other corpuscles of refractory or ceramic materials, the size and nature of which depend on the temperature chosen for the reducing gas,
- thermal materials 6,6 'located below the pipes 2 and 2',
catalytic masses 7,
7 'promoting the reforming reaction between the natural gas or other hydrocarbon and oxidizing gas while also ensuring the thermal load due to the endothermic reaction. It is understood that the chosen temperature mentioned above will depend and will depend on the properties of the catalyst 7.7 '(resistance to temperature, and especially to frequent temperature variations, etc.),
- Thermal materials 8 and 8 'ensuring the preheating of the reactants up to 500-550 [deg.] C, possibly 600 [deg.] C, - 9.9' pipes including inlet valves
90.90 'of natural gas or hydrocarbons, pipelines 10.10' of oxidizing gas comprising inlet valves 100, 100 '.
This gas exits at 41 from the reduction tank 23, and is subjected to cooling in an exchanger 14. - pipes 1 1, 11 'for evacuation of the burned, cooled heating gases, 11 and 11' comprising evacuation valves 110, 110 'to an expansion machine 12 (expansion turbine) for recovering energy from these gases.
- Pipes 13,13 'comprising valves 130,130' supplying the burners 3 and 3 'with combustion air heated in the exchanger 14 and coming from the compressor 15, possibly supplied with the energy recovered from the turbine 12.
pipes 16, 16 'comprising valves 160, 160' supplying the burners with residual gas to be burned, this gas coming from the reduction tank 23, previously cooled in the exchanger 14 and passed through the scrubber; filter 15,
then overpressed by the compressor 17.
The process according to the invention advantageously operates in a cyclic manner:
The reactor 1 receives at its base the reagents, that is to say natural gas or hydrocarbons to be reformed through the pipe 18 and the oxidizing gas through the pipe 10, which comes from the reduction tank 23 after cooling. The gases gradually heat up to about 580-600 [deg.] C in the thermal material 8, then pass into the catalytic mass 7 where they undergo the reforming reaction. Further heating of the formed reducing gas takes place in the thermal material 6 to the expected temperature between 900 and 1300 [deg.] C. This reducing gas leaves the reactor 1 via the pipe 2 and from there is directed to the ore reduction tank 23 via the tube 19 and injection nozzles.
This reforming step has a duration of 2 to 4 minutes.
During this operation, the reactor is in the ignition phase by igniting the burner 3 'supplied superheated combustion air via the tube 13' and the valve 130 and heating gas via the pipe 16 'and the valve 160'. The heating gas is also derived from the reduction tank and is formed, like the oxidizing gas of the reactor 1, residual gas that escapes from this tank. The burned heating gas passes through the combustion chamber 5 ', the thermal materials 4' and 6 'as well as the catalytic mass T. During the crossing, the combustion of the traces of carbon deposited during the reforming phase is carried out. These gases pass through the thermal material 8 'and leave the reactor V from below via the pipe 11' and the valve 110 'at a temperature lowered to 200 [deg.] C.
These gases are evacuated after passing through the expansion turbine 12, thereby recovering the energy required for the compression of the combustion air in the compressor 40. The circuits are then inverted between the reactors 1 and 1 '. the inverting valves 130, 130 ', 160, 160', 90, 90 ', 100, 100', 110 and 110 ', valves operating at moderate temperature and controlled by an automatic device, known per se. At the moment of the inversion of the circuits, it is proceeded to the purge of the reactor at the end of its heating period, (at this moment, it contains burnt gases). This purge is carried out by means of an injection of reducing gas via the pipes 31 or 31 'via the valves 310, 310'. This gas comes from a tank 20.
The reservoir 20 receives a portion of the reducing gas through the pipe 19, during the evacuation of the gases from the hot reforming through the pipes 2 and 2 '. The reducing gas is, by the blower 21, supercharged before storage in the tank 20.
This purge phase is limited to 3 to 5 seconds, which has the result of not causing loss since the reducing gas injected by the pipe 31, 31 'remains, after passing through the catalyst 7.7', in the latter. ci and restart in the next cycle in the storage tank 20.
The reducing gas containing from 95 to 97% (% relative to the total volume of gas) of CO + H2 is injected at the base of the reduction vessel 23 through line 19. In this tank, the ore is introduced via the airlock. (raw ore supply entry) 22.
It gradually warms up and the oxide gradually converts to FeO and then to pure iron. The latter generally remains in the solid phase in the form of an iron sponge as in the other previous processes, at 900-1000 ° C., mixed with the ore waste and reaction products with the added limestone.
From there, the iron sponge is discharged to an electric furnace via the control device where it is compacted and delivered for other uses such as blast furnace feeding.
A variant of the reduction tank 23 is illustrated in FIG. 2. This variant requires the production of a reducing gas at a higher temperature, as allowed by the process according to the invention.
In this case, the reduction tank 23 comprises several levels of reducing gas injection, and it is completed by a tank 23 'with a liquid phase.
It further comprises a first level of nozzles 19 bringing the reducing gas cooled to 1000 - 1100 [deg.] C to prevent the agglomeration of the ore in the tank 23. This cooling takes place in a heat exchanger 24 which can be used by for example to heat the residual gas leaving the tank 23 via the pipe 41. At this lower level of the tank 23, the material is iron sponge in the solid state and not agglomerated. The iron sponge is introduced into the tank 23 'through a through hole 29. The tank 23' further comprises a second level of nozzles 25 which injects a portion of the uncooled hot reducing gas (1300 [deg.] C) and nozzles 26 for oxygen injection, which provides a significant temperature rise beyond 1500 [deg.] C resulting in the liquefaction of the iron sponge.
The bottom of tank is provided with outlets for the slag and the liquid steel. The hot gases from the tank 23 'are reinjected into the tank 23 by means of nozzles 34. This version ensures the direct production of steel without calling for additional operations. The device illustrated in FIG. 3 represents two reactors 1, 1 'arranged end to end in a single enclosure 35. The two reactors comprise a common reducing gas outlet 2 and a common combustion chamber 5' divided in half by a central wall with orifices 36.
The two reactors operate as the device illustrated in FIG. 1, except that, when the burned heat gases are evacuated via the pipe 11, 11 'via the valve 110, 110', a flow rate slightly greater than the flow rate is imposed. gas at the inlet so that a vacuum is created and the direction of the gas flow is controlled and forced from the combustion chamber 5,5 'to the outlet 9,9', 10, 10 ', 11 , 11 '.
With this controlled flow difference, the burned gas from the first part (zone) of the enclosure does not pass through the orifices of the wall 36 to mix with the other part of the enclosure (zone).
The following table gives the characteristics of the gases obtained at different points of the process according to the invention in the iron sponge production mode as illustrated in FIG.
For 1 mole of natural gas considered CH4
Material Gas Gas Gas Gas first Residual residual reductant% Residual
(gas from the recycled (by combust.
reformer) tank ratio to (by volume compared to total gas volume) total gas)
Number of moles 1 5.6 5.6
Analysis CH4100 0.45 0.45
% value
(in relation to the total volume of gas)
H20 0 1, 59 32.85 58% 42%
CO 0 38.29 20.74
C020 0.56 18.14
H20 59.08 27.82
C02HzO / 2.1 50.39
97.35 48.57
CO + H 2
Temperature 30 [deg.] C 1000 [deg.] C 750 [deg.] C
Pressure bars 3-4 2 1, 3
<EMI ID = 12.1>
Results:
Pure iron production = 50 g / mole of CH4 = 1, 669 / metric ton of pure emission Fe = 0.7 tonne CO2 / Iron Ton (1/3 to conventional steelmaking systems (blast furnace + coking plant).
It is understood that the present invention is in no way limited to the embodiments described above and that many modifications can be made without departing from the scope of the appended claims.
List of elements 1, 1 'reactor
2,2 'reducer gas outlet line 3,3' burner 4,4 'thermal material
5.5 'combustion chamber 6.6' thermal material 7.7 'catalytic mass 8.8' thermal material 9.9 'natural gas injection line
10,10 'pipe inlet of oxidizing gas 11, 11' pipe of burnt gases
12 expansion turbine
13 combustion air duct 14 heat exchanger
15 compressor
16 gas pipeline to reform
17 cooler
18 natural gas or other hydrocarbon line 19 reducer gas line
20 tank
21 blowing
22 sas
23 reduction tank 24 heat exchanger
25 hot gas reducer injection nozzle
26 injection nozzle of oxygen
29 orifice
Electric furnace 31, 31 'reducing gas ducting (from the tank 20 to the inlet of the reactor 1, 1')
32 collector
34 nozzle
35 pregnant
36 wall 40 compressor
41 pipes
90,90 'pipe valve 9,9' respectively 100,100 'pipe valve 10,10' respectively 110,110 'pipe valve 11, 11' respectively 130,130 'pipe valve 13,13' respectively
160,160 'valve of the pipe 16,16' respectively 310,310 'valve of the pipe 31, 31' respectively